振動(dòng)挖掘分離式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計(jì)

李琳,陳凱,郝雯娟

振動(dòng)挖掘分離式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計(jì)

李琳,陳凱*,郝雯娟

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 211156

為促進(jìn)小地塊生產(chǎn)模式下馬鈴薯機(jī)械化的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械振動(dòng)挖掘與分離的馬鈴薯挖掘機(jī)。建立了主要部件結(jié)構(gòu)模型，對(duì)振動(dòng)架和挖掘裝置進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示：振動(dòng)架和挖掘裝置受到最大應(yīng)力分別為22.221 MPa和12.112 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所選材料的屈服強(qiáng)度；振動(dòng)架和挖掘裝置靜態(tài)位移最大變形量分別為4.908×10-4mm和3.759×10-2mm，遠(yuǎn)小于1 mm，認(rèn)為兩部分設(shè)計(jì)滿足要求。對(duì)挖掘裝置和薯土分離裝置進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真分析，結(jié)果顯示：挖掘裝置、方向的振幅分別為25 mm和2.9 mm，振動(dòng)頻率約為7.25 Hz；挖掘裝置和薯土分離裝置過(guò)渡部分無(wú)干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了該部分結(jié)構(gòu)的合理性。

馬鈴薯; 挖掘機(jī); 設(shè)計(jì)

馬鈴薯機(jī)械化技術(shù)的成熟程度與其產(chǎn)業(yè)鏈能否快速且良好的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系[1]。國(guó)外的馬鈴薯機(jī)械化研究起步早，目前已經(jīng)達(dá)到成熟階段[2]，其中利用振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)薯土分離、性能較好的馬鈴薯挖掘機(jī)有波蘭Krukowiak公司生產(chǎn)的單行ECO型馬鈴薯挖掘機(jī)（Poland. Krukowiak公司產(chǎn)品官網(wǎng)：http://www.krukowiak.com.），波蘭Bomet公司生產(chǎn)的單行Z655型馬鈴薯挖掘機(jī)（Poland. Bomet公司產(chǎn)品官網(wǎng)：http://www.bomet.pl/oferta_tekst-117html.），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分離效果好，還可用于其他塊根類作物的挖掘，但是不適用于我國(guó)的種植模式。我國(guó)馬鈴薯種植地域分布廣[2,3]，在小地塊作業(yè)中，振動(dòng)挖掘式馬鈴薯挖掘機(jī)也逐漸發(fā)展起來(lái)，但尚不成熟；另外，雖然目前國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)型種類多，但市場(chǎng)上的振動(dòng)挖掘式馬鈴薯挖掘機(jī)依然稀少。因此，需要設(shè)計(jì)一款適合我國(guó)種植模式下的馬鈴薯收獲機(jī)械。本文以現(xiàn)有機(jī)型為參考設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)挖掘分離式馬鈴薯挖掘機(jī)，以提高小地塊馬鈴薯種植區(qū)的收獲效率，為此類機(jī)型的研發(fā)提供一定的參考。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

振動(dòng)挖掘分離式馬鈴薯挖掘機(jī)主要包括：機(jī)架、動(dòng)力輸出連接裝置、曲柄連桿傳動(dòng)裝置、振動(dòng)挖掘裝置、薯土分離裝置、行走輪等。整體結(jié)構(gòu)如圖1。

牽引動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力輸出軸與曲柄連桿傳動(dòng)裝置的曲柄軸連接，工作時(shí)，牽引機(jī)給曲柄軸一定的動(dòng)力，配置在曲柄軸后的連桿做上下擺動(dòng)，連桿由U型連桿、凸型連桿和桿端關(guān)節(jié)軸承組成，U型連桿與桿端關(guān)節(jié)軸承用螺栓連接，桿端關(guān)節(jié)軸承與振動(dòng)架鉸接并帶動(dòng)振動(dòng)架做往復(fù)擺動(dòng)。振動(dòng)架鉸接在機(jī)架上，其上端與挖掘裝置通過(guò)連接桿連接，給挖掘裝置一定的動(dòng)力，其下端與前托板鉸接。整機(jī)作業(yè)時(shí)，挖掘裝置和薯土分離裝置由振動(dòng)架提供動(dòng)力，兩裝置運(yùn)動(dòng)方式為同步異向，以抵消兩裝置的部分慣性力實(shí)現(xiàn)整機(jī)平穩(wěn)作業(yè)[4,5]。

1.機(jī)架 2.振動(dòng)架 3.桿端關(guān)節(jié)軸承 4.U型連桿5.凸型連桿 6.曲柄軸7.動(dòng)力輸出接口 8.連接桿9.振動(dòng)挖掘裝置10.前托板 11.柵條 12.行走輪13.后托板 14.后掛桿 15.調(diào)節(jié)臂

2 主要部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 主要部件設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)架機(jī)架主要組成有：前端連接板、中心方塊、行走輪支撐架、調(diào)節(jié)臂和其他組件。前端連接板參照配套機(jī)具的懸掛方式做成方形，主要作用是與配套牽引機(jī)具穩(wěn)固連接；中心方塊起到固定和連接其他組件的作用，位于機(jī)架的中心位置；行走輪支撐架主要由三塊方形板焊接而成，作用為安裝行走輪，并起到支撐作用；調(diào)節(jié)臂焊接在機(jī)架后端，與后掛桿鉸接，其作用是改變后掛桿的懸掛高度，目的是調(diào)節(jié)分離裝置的傾斜角度。主機(jī)架材料選用Q235鋼，其他組件選用半徑為20 mm的圓鋼，在整機(jī)的連接及穩(wěn)定方面都起到很重要的作用。

2.1.2 薯土分離裝置薯土分離裝置組成有：前托板、柵條和后托板。整體結(jié)構(gòu)尺寸為：570×650×165（mm），其中柵條用圓鋼制作，半徑6 mm，共18根，底端12根等距分布，兩側(cè)各3根，兩側(cè)的柵條防止馬鈴薯向兩側(cè)分散掉落。兩個(gè)底托板的作用是固定柵條，該部分主要承受薯土混合物的重量。該裝置前端與振動(dòng)架連接，后端通過(guò)后掛桿與機(jī)架相連，工作時(shí)做周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

另外，分離裝置作業(yè)時(shí)需有一定的向前（作業(yè)方向）的傾斜角度，以此保證薯土分離的徹底，該傾斜角度范圍在10°～15°為最佳[6]，本設(shè)計(jì)中選定初始傾斜角度為11°，機(jī)架的調(diào)節(jié)臂可對(duì)其傾斜角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.1.3 振動(dòng)挖掘裝置 振動(dòng)挖掘裝置組成有：鏟柄、柵條和弧形曲面鏟。挖掘裝置與機(jī)架鉸連接，鏟刃做成平面狀，鏟面為曲面狀，可以增加薯土混合物的流動(dòng)性，更好的將薯土運(yùn)送到薯土分離裝置，提高明薯率；鏟面兩端焊接兩條鏟柄，目的是與機(jī)架連接；鏟后端設(shè)有直徑為10 mm的柵條，其間隙為38 mm，該柵條的作用是避免薯塊掉落而被土壤掩埋，起到過(guò)渡的作用。

由于鏟面需要高強(qiáng)度，又要有一定的可塑性，因此本文采用65 Mn作為鏟面加工材料[4]。基本尺寸：鏟長(zhǎng)250 mm，鏟寬500 mm，鏟面厚度9 mm，鏟面入土角取20°～25°。

2.1.4 曲柄連桿傳動(dòng)裝置曲柄連桿傳動(dòng)裝置的主要組成有：振動(dòng)架、桿端關(guān)節(jié)軸承、U型連桿、凸型連桿、曲柄軸、連接卡口、連接桿。

工作時(shí)，曲柄軸通過(guò)動(dòng)力輸出連接裝置與牽引機(jī)具的動(dòng)力輸出軸連接[5]。從曲柄軸到振動(dòng)架的運(yùn)動(dòng)情況較為復(fù)雜，存在直線移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故此運(yùn)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)采用了三部分連接，其中與振動(dòng)架連接的部分為桿端關(guān)節(jié)軸承，兩部分之間的約束為球鉸副約束，為了滿足剛度和強(qiáng)度的需求，該裝置的材料選用Q235鋼。

2.2 挖掘裝置受力分析

挖掘裝置作業(yè)時(shí)受到土壤內(nèi)部諸多因素的影響，分析知挖掘裝置主要受力情況為：水平牽引力即挖掘阻力，垂直向下的土壤重力：此力可分解為垂直于鏟面的法向載荷和平行于鏟面的摩擦力。根據(jù)土壤——機(jī)具力學(xué)建立起的挖掘裝置的力學(xué)模型，可以得到挖掘阻力的表達(dá)式[7]（1），通過(guò)查閱資料可以得到各土壤物理機(jī)械參數(shù)的取值，從而得到各力的大小。

其中的表達(dá)式如式（2）：

式中：為土壤重力（N），′為土壤內(nèi)摩擦因數(shù)，為前失效面傾角（°），1為土壤剪切面積（m2），為單位面積的土壤內(nèi)聚力（N），1為單位面積的土壤加速力（N），為土壤與鏟面的摩擦因數(shù)，C為土壤與鏟面的附著力因數(shù)，0為挖掘鏟鏟面面積，為鏟面的入土角[7]。

土壤重力（）表達(dá)式：

式中：為鏟面寬度，為鏟面長(zhǎng)度（m），為土壤密度（kg/m3），為土壤挖掘深度（m）。

3 振動(dòng)挖掘分離式馬鈴薯挖掘機(jī)仿真分析

3.1 關(guān)鍵部件有限元分析

挖掘裝置與傳動(dòng)裝置的振動(dòng)架在挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)受力較復(fù)雜，如果不能確定其是否滿足作業(yè)強(qiáng)度，很容易因受力而變形，因此需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析，通過(guò)分析其應(yīng)變與應(yīng)力與許用應(yīng)力之間的關(guān)系，以確保挖掘裝置與曲柄連桿傳動(dòng)裝置的可靠性。

3.1.1 有限元分析軟件介紹在SolidWorks Simulation環(huán)境中對(duì)傳動(dòng)裝置的振動(dòng)架部分和挖掘裝置進(jìn)行有限元分析，此有限元分析主要有三步：第一步為前處理，第二步為分析計(jì)算，第三步為后處理。其分析涉及領(lǐng)域多元，包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、優(yōu)化分析等[8]。

3.1.2 有限元分析前處理 在SolidWorks平臺(tái)完成建模后，對(duì)振動(dòng)架和挖掘裝置添加夾具、施加載荷如圖2和圖3，對(duì)兩裝置定義屬性后劃分網(wǎng)格如圖4和圖5。

由式（1）、（2）、（3）可得挖掘阻力和鏟面法向載荷分別為5813 N和2244 N，從而得到振動(dòng)架兩側(cè)與中間三角板的力分別為1243 N和3487 N。

圖 2 振動(dòng)架載荷施加

圖 3 挖掘裝置載荷施加

圖4 振動(dòng)架網(wǎng)格劃分

圖5 挖掘裝置網(wǎng)格劃分

3.1.3 求解后分析前處理完成后，分別對(duì)振動(dòng)架和挖掘裝置進(jìn)行求解計(jì)算，求解后得到振動(dòng)架的應(yīng)力云圖（圖6）、靜態(tài)位移云圖（圖7）和挖掘裝置的應(yīng)力云圖（圖8）、靜態(tài)位移云圖（圖9）。

圖6 振動(dòng)架應(yīng)力云圖

圖7 振動(dòng)架靜態(tài)位移云圖

圖8 挖掘裝置應(yīng)力云圖

圖9 挖掘裝置靜態(tài)位移云圖

振動(dòng)架的應(yīng)力云圖和靜態(tài)位移云圖顯示：振動(dòng)架受到最大應(yīng)力為22.221 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所選材料的屈服強(qiáng)度430 MPa；振動(dòng)架靜態(tài)位移最大變形量為4.908×10-4mm，遠(yuǎn)小于1 mm，變形最大處是振動(dòng)架前端與桿端關(guān)節(jié)軸承鉸接的地方，振動(dòng)架的擺動(dòng)板下端與薯土分離裝置鉸接處受力也較大，變形量為3.681×10-4mm。最大受力處變形量符合設(shè)計(jì)要求，認(rèn)為振動(dòng)架的設(shè)計(jì)滿足要求。

挖掘裝置的應(yīng)力云圖和靜態(tài)位移云圖顯示：挖掘裝置受到最大應(yīng)力為12.112 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所選材料的屈服強(qiáng)度235 MPa；靜態(tài)位移最大變形量為3.759×10-2mm，變形最大處是鏟刃中段部分，其次是鏟面中心處，變形量為3.445×10-2mm。其最大變形量遠(yuǎn)小于1 mm，認(rèn)為挖掘裝置的設(shè)計(jì)滿足要求。

3.2 虛擬樣機(jī)仿真分析

3.2.1 ADAMS軟件介紹 ADAMS軟件主要用作運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)前進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可以減少生產(chǎn)問(wèn)題和時(shí)間成本。

3.2.2 添加約束、驅(qū)動(dòng)和阻力在ADAMS環(huán)境中，對(duì)整機(jī)添加材料屬性，除行走輪以外，其余部分屬性全定義為碳鋼類，在ADAMS材料庫(kù)中設(shè)置三種屬性值：彈性模量= 2.07×105 N/mm2，泊松比= 0.29，密度= 7.8×105 kg/mm2。

創(chuàng)建約束、驅(qū)動(dòng)：1）在ADAMS_View仿真環(huán)境中添加重力（gravity）；2）地面與機(jī)架采用固定副；3）曲柄軸處添加旋轉(zhuǎn)副，并在此處創(chuàng)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，根據(jù)預(yù)選牽引機(jī)動(dòng)力設(shè)置曲柄軸驅(qū)動(dòng)參數(shù)Function(time)為1080 °/s（即180 r/min）；4）曲柄軸末端、U型連桿、凸型連桿和桿端關(guān)節(jié)軸承之間均采用鉸接，因此在各連接處均施加旋轉(zhuǎn)副；5）桿端關(guān)節(jié)軸承與振動(dòng)架連接處添加球鉸副；6）兩個(gè)后掛桿與機(jī)架和分離裝置連接處分別添加旋轉(zhuǎn)副；7）振動(dòng)架與機(jī)架和分離裝置連接處添加旋轉(zhuǎn)副[5]。如圖10。

添加阻力：由土壤——機(jī)具力學(xué)模型計(jì)算得到鏟刃處挖掘阻力和鏟面法向載荷分別為5813 N和2244 N，添加阻力如圖11。

圖10 添加約束和驅(qū)動(dòng)

圖11 添加阻力實(shí)體模型

3.2.3 振動(dòng)挖掘裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)2 s，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)500步，在挖掘裝置鏟尖添加質(zhì)點(diǎn)Marker_66，此質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)即為整個(gè)挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]。運(yùn)行仿真后，得到挖掘裝置質(zhì)點(diǎn)Marker_66在、方向的位移（如圖12、13）、速度（如圖14）和加速度（如圖15）仿真結(jié)果。

圖 12 X方向振動(dòng)挖掘裝置位移仿真結(jié)果

圖 13 Y方向振動(dòng)挖掘裝置位移仿真結(jié)果

圖 14 振動(dòng)挖掘裝置速度仿真結(jié)果

圖 15 振動(dòng)挖掘裝置加速度仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示：在鏟尖某一質(zhì)點(diǎn)處，方向上位移數(shù)值在733～758 mm之間沒(méi)有明顯的波動(dòng)，故其方向的振幅為25 mm；方向位移數(shù)值在638.8～641.7 mm之間波動(dòng)平穩(wěn)，故其方向的振幅為2.9 mm。挖掘裝置在、方向的速度、加速度曲線均沒(méi)有大幅度的波動(dòng)，說(shuō)明整機(jī)作業(yè)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)；方向振動(dòng)裝置加速度數(shù)值在-7500 mm/s2～12500 mm/s2范圍內(nèi)變化，方向加速度數(shù)值接近于0，說(shuō)明加速度變化平緩，可以有效減小傷薯率。分析四個(gè)曲線圖可估算振動(dòng)周期約為0.138 s，故其振動(dòng)頻率約為7.25 Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)可確定其滿足振動(dòng)減阻的挖掘效果。

3.2.4 挖掘裝置和薯土分離裝置過(guò)渡部分干涉仿真分析挖掘裝置與分離裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，過(guò)渡部分可能存在干涉碰撞現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真干涉檢驗(yàn)。仿真參數(shù)條件不變，在鏟后端任一柵條端點(diǎn)處添加一質(zhì)點(diǎn)MARKER_67，在薯土分離裝置前端任一位置添加一質(zhì)點(diǎn)MARKER_68。仿真后得到兩裝置質(zhì)點(diǎn)在、方向的位移對(duì)比仿真結(jié)果，如圖16和圖17。

圖16 X方向位移對(duì)比仿真結(jié)果

圖17 Y方向位移對(duì)比仿真結(jié)果

過(guò)渡部分干涉仿真顯示：整機(jī)作業(yè)時(shí)，兩裝置始終做同步異向運(yùn)動(dòng)，位移曲線均以正弦函數(shù)規(guī)律變化。在同一時(shí)刻，兩裝置位移曲線同時(shí)到達(dá)極限位置，此極限位置即兩部分相距最近和最遠(yuǎn)的位置。兩裝置達(dá)到最近極限位置時(shí)的水平距離和垂直距離分別約為11 mm和22.5 mm，因此兩裝置均未出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，故可驗(yàn)證本設(shè)計(jì)中薯土分離裝置與挖掘裝置過(guò)渡部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

運(yùn)用SolidWorks設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)挖掘分離式馬鈴薯挖掘機(jī)，重點(diǎn)介紹了主要部件的模型設(shè)計(jì)，并對(duì)各部分的作用進(jìn)行了描述。在SolidWorks Simulation環(huán)境中對(duì)傳動(dòng)裝置的振動(dòng)架部分和挖掘裝置進(jìn)行有限元仿真，結(jié)果顯示：振動(dòng)架和挖掘裝置受到最大應(yīng)力和靜態(tài)位移的最大變形量均滿足設(shè)計(jì)要求。利用ADAMS對(duì)挖掘裝置和薯土分離裝置進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真分析，結(jié)果顯示：挖掘裝置、方向的振幅分別為25 mm和2.9 mm，振動(dòng)頻率約為7.25 Hz；挖掘裝置和薯土分離裝置過(guò)渡部分無(wú)干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了該部分結(jié)構(gòu)的合理性。

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Design for the Vibration Digging and Separating-sytle Potato Excavator

LI Lin, CHEN Kai*, HAO Wen-juan

210000

In order to promote the development of potato mechanization in small scale production, a potato excavator is designed with mechanical vibration excavation and potato mud separation. The structural model of the main components is established, and the finite element analysis (FEA) of the vibration frame and the excavation device is carried out. The results show that the maximum stress of the vibration frame and the excavation device is 22.221 MPa and 12.112 MPa respectively, which is far less than the yield strength of the selected material, the maximum static displacement of the vibration frame and the excavation device is 4.908 × 10-4mm and 3.759 × 10-2mm respectively, which is far less than 1 mm, therefore the design meets the requirements. The simulation analysis of virtual prototype is carried out，and the results show that the amplitude of X and Y direction of the digging device is 25 mm and 2.9 mm respectively and the vibration frequency is 7.25 Hz. The transition part of the digging device and the potato mud separating device has no interference, which verifies the rationality of the structure.

Potato; excavator; design

S225.7+1

A

1000-2324(2021)06-1049-06

2019-12-11

2020-01-03

江蘇省高校自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(19KJB470006)

李琳(1982-),女,碩士,講師,主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)、載運(yùn)工具設(shè)計(jì). E-mail:343876267@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:810834537@qq.com